PandaX-nT暗物质探测实验读出电子学预研系统的研制

PandaX-nT升级对电子学系统提出了诸多新的挑战,如更多的通道数、高速高精度的波形数字化、灵活的触发算法和更高的数据带宽要求等。本文介绍一种为未来PandaX-nT暗物质直接探测升级实验预研的读出电子学系统。该电子学系统主要由前置放大电路模块、波形数字化模块(FDM)、数据获取模块(DAQ)和时钟分发模块等组成。FDM集成8路14 bit@1 GS/s ADC,具有较高集成度,可实现对探测器信号波形数字化,并通过光纤与DAQ通信。DAQ可汇总多块FDM数据,实现全数字化的触发算法,并通过基于TCP协议的千兆以太网与计算机通信,保证了数据传输的可靠与稳定。目前已完成了整个读出电子学系统设计,并对整个电子学系统进行了功能验证,以及与探测器进行了初步的联合测试。整个电子学系统具有较高的可扩展性,并能实现更复杂的触发算法,能满足下一代升级的需求。     

HIRFL-CSR外靶实验读出电子学预研系统

本文介绍了兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)外靶实验读出电子学预研系统的设计。该系统可实现TOF墙探测器、中子墙探测器、多丝漂移室(MWDC)等的读出。基于前沿定时及使用TOT技术分别进行时间和电荷测量,从而对前沿定时带来的时间-幅度游走效应进行修正。该系统基于工业智能仪器总线PXI进行设计,提高了数据传输带宽,并保证了系统的可扩展性。目前已完成基本单元模块的实验室电子学测试,以及与探测器的初步联合测试,验证了各项功能指标。     

面向暗物质直接探测的原型液氩探测器读出电子学系统设计

针对面向暗物质直接探测的t级原型液氩探测器的信号读出需求,本文设计了1套基于高速、高精度波形数字化技术及PXI Express高速仪器总线技术的读出电子学系统。该系统采用多个波形数字化模块和1个全局触发模块,实现单机箱40路光电倍增管信号的同步采集。系统具有很好的灵活性和可扩展性,通过将多个机箱的触发模块级联可进一步将系统规模扩展至数百通道。该系统研制完成后,配合1个10 kg级的小型液氩探测器开展了单光电子标定和放射源联调测试。通过放射源测试,获得了高质量的液氩探测器闪烁光信号波形。利用脉冲形状甄别算法,可清晰区分核反冲事例和γ事例,初步结果表明,在80~240 pe(光电子)信号幅度范围内的17万个事例中,没有电子反冲信号被误判为中子信号,验证了读出电子学技术路线和设计方案的可行性。     

DAMPE-PSD读出电子学研制

暗物质粒子探测卫星(dark matter particle explorer, DAMPE)是我国空间科学卫星系列的首发星,用于找出可能的暗物质粒子信号。塑料闪烁体阵列探测器(plastic scintillator detector, PSD)分系统作为卫星有效载荷的主体部件之一,参与承担高能粒子电荷测量和电子/γ射线鉴别任务。PSD由82根塑料闪烁体条和164个光电倍增管（photomultiplier tube, PMT)组成,有328个输出通道,每根塑料闪烁体条的动态范围为2×103,需配备1套完备的读出电子学系统。该电子学系统由4块前端电子学（front-end electronics, FEE）板构成,共具有360个信号处理通道,总功耗6 W。电路主要包括电荷测量电路、模拟调理电路、模数变换电路、刻度电路、环境监测电路、FPGA电路、电源管理电路以及接口电路等,其主要功能是基于32路模拟信号将PMT的电荷信号输入VA160 ASIC芯片,考虑了抗辐照加固、温度设计等一系列关键问题,以确保在严酷的太空中具有长期的可靠性。测试结果表明,该FEE系统工作稳定、性能良好,具有较好的技术指标,每个电子学通道实现了0～12.5 pC的动态范围,通道的随机噪声水平好于2 fC,积分非线性好于0.6%。FEE能适应恶劣的空间环境,具有很高的可靠性。FEE配合PSD样机还分别于2014年和2015年在欧洲核子中心（CERN）的PS和SPS终端成功完成了2次束流试验,验证了PSD的探测能力完全满足任务书中提出的功能和指标要求,能很好实现实际科学任务需求。     

GEM探测器读出电子学ADC采样系统设计

本文简要介绍了GEM探测器读出电子学ADC采样系统设计与测试。该系统包括模数变换模块、数据汇总模块和后端数据接收模块三部分。本文详细介绍了模数变换模块硬件电路设计、FPGA逻辑设计、光纤数据传输设计以及ADC采样芯片的测试方法。经过测试,该系统实现了8通道数据实时采集、传输、存储及显示功能。     

LHAASO缪子探测器阵列读出电子学系统研制

本文介绍了LHAASO缪子探测器阵列读出电子学系统的设计,系统采用基于wR同步时钟系统的无触发、前端波形数字化方案。同时给出了西藏羊八井样机阵列的性能测试结果,结果表明缪子探测器电子学系统符合设计指标要求。     

CSR外靶实验终端大型探测器读出电子学研制

兰州重离子加速器-冷却储存环外靶实验终端大型探测器中子墙和TOF墙分别共有504个和360个通道用于测量中子和带电粒子的飞行时间,需要高精度时间测量的读出电子学系统。研制的8通道读出电子学模块采用了前沿定时的时间测量方法、基于TOT技术的电荷测量方法和PXI总线平台,电子学测试结果显示时间测量精度好于25ps。     

用于CBM-TOF超级模块探测器质量控制的分布式数据读出方法

高压缩重子物质(Compressed Baryonic Matter,CBM)实验装置飞行时间谱仪利用由多气隙电阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber,MRPC)探测器构建的超级模块实现高密度、高精度的粒子飞行时间测量,该超级模块可支持高达320通道的高精度时间测量能力,数据率高达6 Gbit·s~(-1)。为实现超级模块探测器的性能评估,提出一种基于千兆以太网的分布式数据读出方法,利用片上系统技术实现读出节点的千兆网络传输能力。测试结果表明,针对单条数据传输路径,原型读出模块在全链路情况下,能实现约467 Mbit·s-1的综合数据传输速率。读出方案中事例组装、命令发送、状态显示等功能均运行正常。     

暗物质实验网络读出数据获取软件设计

在ATLAS TDAQ框架的基础上,为暗物质实验开发了基于网络读出的数据获取软件。软件实现了高速数据读出,事例组装,数据波形零压缩和存盘等功能。论文最后对软件的运行情况进行了稳定性测试,软件的读出带宽可达到240MB/s,波形压缩比可达到150倍。     

质子治疗电离室剂量读出电子学研制

中国原子能科学研究院正在研制一套用于质子治疗的治疗头设备,为了实现束流剂量的测量,研制了一套剂量读出电子学装置,用于实现电离室剂量信号读取和测试。该电子学通过IVC102精密低噪声积分器实现电荷的积分放大,DSP56F82控制ADC实现数据的采集并处理,装置采用Modbus通信协议实现和上位机间的通信。同时设计了固定电荷发生器,利用其产生固定电荷量,用于对该电荷测量装置进行试验测试。结果表明,该装置在20 pC~2 μC电荷测量范围内的最大相对误差在0?62%以内,满足了设计需求。     

Design of Readout Electronics System for Prototype LAr-based Direct Dark Matter Detector

The prototype readout electronics system of direct dark matter detection experiments, which is mainly based on high speed and high precision waveform sampling and high speed data transfer techniques, consists of multiple waveform digitization modules (WDMs) and one global trigger module (GTM). The WDM exploits high speed analog-to-digital converter to acquire signals from the photomultiplier tubes (PMTs). The GTM collects hit information from WDMs, generates system trigger signal and fans out synchronous clock to all WDMs via backplane buses. Based on offline pulse shape discrimination method, the nuclear recoil events from a PuC neutron source can be clearly distinguished from gamma events within the energy range of 80 pe (photoelectron) to 240 pe for gamma rays, which indicates the capability of fulfilling the requirements of LAr-based direct dark matter detection experiments in future.     

用于暗物质间接测量外围反符合探测器的读出研究

在暗物质的间接探测中,需要利用反符合探测器对带电粒子进行定位标记,研究了在截面为1 cm2,长为80 cm的塑料闪烁条中插入直径1 mm的波移剂光纤并用盖革模式雪崩光二极管读出的实验方案。宇宙线测试结果表明此种实验方案具有很高的探测效率,以及较好的读出均匀性。     

高精度时间测量系统的网络读出设计与实现

设计了一种基于网络读出的多通道时间测量控制系统。该系统基于FPGA实现1 Gigabit以太网TCP服务端关键协议的逻辑设计,用于系统时间测量数据的高速传输,对于当前TOF时间测量电子学系统读出具有借鉴意义。通过对本时间测量系统进行性能分析和网络传输测试,实验结果表明:系统单通道时间测量精度好于22 ps,该1 Gigabit以太网TCP逻辑设计传输性能可达600 Mbps。